JPH10279554A - New ionic conductive substance provided with improved conductivity and stability - Google Patents

New ionic conductive substance provided with improved conductivity and stability

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JPH10279554A
JPH10279554A JP10027299A JP2729998A JPH10279554A JP H10279554 A JPH10279554 A JP H10279554A JP 10027299 A JP10027299 A JP 10027299A JP 2729998 A JP2729998 A JP 2729998A JP H10279554 A JPH10279554 A JP H10279554A
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electrolyte
methyl
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Dennis Gravel
デニス・グラヴェル
Michel Armand
ミシュル・アルマン
Nasreddine Slougui
ナズレディーネ・スローギ
Yves Choquette
イヴ・ショケット
Gerald Perron
ジェラルド・ペーロン
Dany Brouillette
ダニー・ブルイュット
Gessie Brisard
ジェジエ・ブリザール
Michel Parent
ミシェル・パラン
Homme Jacques Prud
ジャーク・プリュドーム
Christian Labreche
クリスティヤン・ラブレシュ
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Hydro Quebec
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Universite de Montreal
Hydro Quebec
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain the subject new compound useful as an operatic solvent, etc., used for producing lithium batteries, ion-conducting materials, etc. SOLUTION: A sulfamide of the formula: R1 R2 NSO2 NR3 R4 (one to three R groups are each methyl, and the others are each ethyl, or one of the R groups is methoxyethyl, and the others are each methyl or ethyl). The compound is added together with an auxiliary solvent such as ethylene glycol to a dissociating salt, e.g. a lithium salt such as LiBF4 , to provide an electrolytic composition having excellent conductivity. The compound is also mixed with an aprotic polymer such as a polyether containing ethylene oxide units to give an electrolytic composition. The electrolytic composition is useful for lithium batteries, electrochemical devices, etc., and can be used as stable ion-conductive materials.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は改良された導電性と
安定性をもつイオン導電材料に関する。より詳細には、
本発明は式:R12NSO2NR34(式中、R1
2、R3及びR4はメチル基であり、残りの基はエチル
基であるか、又はR1、R2、R3及びR4の1個がメトキ
シエチル基であり、残りの基がメチルもしくはエチル基
である)のスルファミド誘導体に関し、該誘導体は有機
反応及び/又は合成用媒体として使用可能な非プロトン
性溶媒として、あるいは上記式のスルファミドに溶質と
して塩を加える場合にはイオン導電材料として、あるい
は上記式のスルファミドと塩を固体又は液体ポリマーに
加える場合にはリチウム型電池や所謂ロッキングチェア
又はリチウムイオン電池等の電気化学用途に有用な固体
又はゲルポリマー電解質として使用される。
The present invention relates to ionic conductive materials having improved conductivity and stability. More specifically,
The present invention provides a compound represented by the formula: R 1 R 2 NSO 2 NR 3 R 4 wherein R 1 ,
R 2 , R 3 and R 4 are methyl groups and the remaining groups are ethyl groups, or one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is a methoxyethyl group and the remaining groups are A methyl or ethyl group), which is an ionic conductive material when a salt is added as an aprotic solvent usable as a medium for organic reaction and / or synthesis or as a solute to the sulfamide of the above formula. When a sulfamide and a salt of the above formula are added to a solid or liquid polymer, the sulfamide and the salt are used as a solid or gel polymer electrolyte useful for electrochemical applications such as lithium type batteries, so-called rocking chairs or lithium ion batteries.

【0002】[0002]

【従来技術】[Prior art]

式:R12NSO2NR34(式中、R1、R2、R3及び
4はアルキル基を表す)のスルファミドとその誘導体
は多数の化学的及び生物学的用途で使用されている。R
icheyら(Journal of Organic
Chemistry,Vol.52,No.4(19
87)479−483頁)は、溶媒として使用した場合
にこのような化合物が極性有機金属化合物や他の強塩基
性及び求核性試薬に対して特に安定であると報告してい
る。Richeyらによると、有機マグネシウム化合物
はR1、R2、R3及びR4が全てエチル基であるテトラエ
チルスルファミド(TESと称する)中で無限に安定性
であり、TES中のブチルリチウムの半減期は15分を
越えるが、他の溶媒中の半減期は5分未満であることが
判明した。
Sulfamides of the formula: R 1 R 2 NSO 2 NR 3 R 4 , wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 represent alkyl groups, and derivatives thereof, are used in a number of chemical and biological applications Have been. R
ikey et al. (Journal of Organic
Chemistry, Vol. 52, no. 4 (19
87) pp. 479-483) report that such compounds are particularly stable to polar organometallic compounds and other strongly basic and nucleophilic reagents when used as solvents. According to Richey et al., Organomagnesium compounds are infinitely stable in tetraethylsulfamide (referred to as TES) where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are all ethyl groups, and butyllithium in TES The half-life was found to be over 15 minutes, but the half-life in other solvents was less than 5 minutes.

【0003】スルファミドは農薬分野(米国特許第5,
596,017号)や生物学的用途でも使用されてい
る。米国特許第5,506,355号にはスルファミド
化合物の製造方法が記載されている。米国特許第3,8
79,528号、5,539,102号及び3,92
3,886号はこれらの用途のスルファミド化合物の製
造経路及び方法を記載している。
[0003] Sulfamide is used in the agricultural chemical field (US Pat.
596,017) and biological applications. U.S. Pat. No. 5,506,355 describes a method for producing a sulfamide compound. US Patent No. 3,8
Nos. 79,528, 5,539,102 and 3,92
No. 3,886 describes a route and method for producing sulfamide compounds for these uses.

【0004】スルファミドはポリマーの耐燃性を増加で
きることも周知である。米国特許第3,888,819
号及び3,915,931号はこの特定用途のスルファ
ミド組成物とその製法を記載している。
It is also well known that sulfamides can increase the flame resistance of polymers. U.S. Pat. No. 3,888,819
No. 3,915,931 describe this special purpose sulfamide composition and its preparation.

【0005】ポリエチレンオキシド(PEO)とスルフ
ァミド型塩をベースとするプロトン空孔導電ポリマーも
新規塩基性プロトン導電ポリマーとしてBermude
zらの文献(Electrochimica Act
a,Vol.37,No.9,(1992)1603−
1609頁)に報告されている。スルファミド型塩の存
在はこのプロトン導電ポリマー概念の主眼である。
[0005] Proton vacancy conducting polymers based on polyethylene oxide (PEO) and sulfamide type salts are also new basic proton conducting polymers as Bermude.
Z et al. (Electrochimica Act)
a, Vol. 37, no. 9, (1992) 1603-
1609). The presence of sulfamide-type salts is the main focus of this proton conducting polymer concept.

【0006】リチウム電池の分野では、スルホンアミド
末端基で修飾されたPEOポリマーの電池性能はPEO
系単独よりも良好な導電性を提供する。例えば、PEO
1000−(NKSO2Me)2等のアルキルスルホンアミド
末端基をもつPEOはPEO1000よりもイオン導電性が
高いことがItoら(Solid State Ion
ics,86−88,(1996),325−328
頁)により報告されている。同著者らは導電性が高いの
は末端スルホンアミドの解離定数が高いためであると説
明している。
In the field of lithium batteries, the performance of PEO polymers modified with sulfonamide end groups is known as PEO
Provides better conductivity than the system alone. For example, PEO
It has been shown that PEO having an alkylsulfonamide terminal group such as 1000- (NKSO 2 Me) 2 has higher ionic conductivity than PEO 1000 (Solid State Ion).
ics, 86-88, (1996), 325-328.
P.). The authors explain that the high conductivity is due to the high dissociation constant of the terminal sulfonamide.

【0007】高い誘電定数及び溶媒和能(十分高いドナ
ー数(DN)及びアクセプター数(AN))と低い粘度
をもつ新規溶媒を見いだすことは、周囲温度で作動する
高エネルギーリチウム電池の開発に最も重要である。例
えば米国特許第4,129,691号に例示されている
ような総電池性能を改善することを目的とした溶媒混合
物も有用である。これらの溶媒は液体リチウム電池やポ
リマー網状構造を含むゲル電解質で使用することができ
る(米国特許第4,792,504号及び5,501,
920号参照)。
[0007] Finding new solvents with high dielectric constants and solvation capacities (sufficiently high donor numbers (DN) and acceptor numbers (AN)) and low viscosities has been a key to the development of high energy lithium batteries operating at ambient temperature. is important. Also useful are solvent mixtures aimed at improving overall battery performance, as exemplified, for example, in US Pat. No. 4,129,691. These solvents can be used in liquid lithium batteries and gel electrolytes containing polymer networks (U.S. Pat. Nos. 4,792,504 and 5,501,1).
No. 920).

【0008】米国特許第4,851,307号及び5,
063,124号は、一般式:R12NSO2NR34
(式中、R1、R2、R3及びR4は各々独立してC(1−
10)アルキル基又はC(1−10)オキサアルキル基
である)のスルファミド誘導体である溶媒に塩を溶解す
るか又は可変量のこの溶媒中で溶媒和基をもつポリマー
と塩を混合してなる新規イオン導電材料を記載してい
る。この群の代表例はR1=R2=R3=R4=エチル(T
ESと略称する)であり、この化合物を以下の記載では
参考分子とみなす。
[0008] US Patent Nos. 4,851,307 and 5,
No. 063,124 has a general formula: R 1 R 2 NS0 2 NR 3 R 4
(Wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently C (1-
10) The salt is dissolved in a solvent which is an alkyl group or a sulfamide derivative of C (1-10) oxaalkyl group) or a salt and a polymer having a solvation group are mixed in a variable amount of this solvent. Novel ionic conductive materials are described. A representative example of this group is R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = ethyl (T
This compound is considered as a reference molecule in the following description.

【0009】しかし、米国特許第4,851,307号
又は5,063,124号は特定のR基を選択する特定
の化学的又は電気化学的性質又は利点を報告又は請求し
ておらず、2個の窒素原子上のこれらの基の相対位置に
ついても記載していない。
However, US Pat. Nos. 4,851,307 or 5,063,124 do not report or claim particular chemical or electrochemical properties or advantages of selecting particular R groups. The relative position of these groups on a single nitrogen atom is not described.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、リチ
ウム電池及び他の有機化学一般分野等の種々の用途で有
用となるように、種々のRi基をもち、種々の化学的性
質をもつ新規スルファミド系を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide various R i groups and various chemical properties to be useful in various applications such as lithium batteries and other general fields of organic chemistry. And to provide a new sulfamide system.

【0011】本発明の別の目的は、有機反応及び/又は
合成用非プロトン性溶媒として使用可能なスルファミド
系を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a sulfamide system that can be used as an aprotic solvent for organic reactions and / or synthesis.

【0012】本発明の別の目的は、イオン導電材料、固
体もしくはゲルポリマー電解質又は固体及び液体電解質
の製造に使用可能なスルファミド誘導体を提供するため
の本発明の誘導体を提供することである。
It is another object of the present invention to provide a derivative of the present invention for providing a sulfamide derivative that can be used in the manufacture of ionic conductive materials, solid or gel polymer electrolytes or solid and liquid electrolytes.

【0013】本発明の別の目的は、化学及び電気化学反
応用溶媒としての用途に特に有利な化学的及び電気化学
的性質をもつスルファミド組成物を提供することであ
る。
Another object of the present invention is to provide sulfamide compositions having chemical and electrochemical properties that are particularly advantageous for use as solvents for chemical and electrochemical reactions.

【0014】本発明の別の目的は、化学及び電気化学反
応用溶媒、特に液体及び/又は固体及び/又はゲルリチ
ウム電池又はロッキングチェア電池に用いるのに特に有
利な性質をもつスルファミドを提供することである。
It is another object of the present invention to provide sulfamides having particularly advantageous properties for use in solvents for chemical and electrochemical reactions, especially liquid and / or solid and / or gel lithium batteries or rocking chair batteries. It is.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】 本発明は一般式:R12NSO2NR34(式中、1〜
3個のR置換基はメチル基であり、残りはエチル基であ
るか、又は1個のRがメトキシエチル基であり、残りの
Rがメチルもしくはエチル基である)をもつ電解質組成
物又は非プロトン性溶媒用スルファミド又は混合物に関
する。
Means for Solving the Problems The present invention provides a compound represented by the general formula: R 1 R 2 NSO 2 NR 3 R 4 wherein
The three R substituents are methyl groups and the remainder is an ethyl group, or one R is a methoxyethyl group and the remaining R is a methyl or ethyl group). It relates to sulfamides or mixtures for protic solvents.

【0016】R1=R2=R3=メチルであり、R4=エチ
ルであるとき、スルファミドは57の誘電定数と−33
℃の融点をもつ。
When R 1 = R 2 = R 3 = methyl and R 4 = ethyl, sulfamide has a dielectric constant of 57 and -33
It has a melting point of ° C.

【0017】R1=R2=メチルであり、R3=R4=エチ
ルであるとき、スルファミドは40.5の誘電定数と−
24℃の融点と−122℃のガラス転移温度をもつ。
When R 1 = R 2 = methyl and R 3 = R 4 = ethyl, the sulfamide has a dielectric constant of 40.5 and-
It has a melting point of 24 ° C and a glass transition temperature of -122 ° C.

【0018】R1=R3=メチルであり、R2=R4=エチ
ルであるとき、スルファミドは44の誘電定数と−56
℃の融点と−130℃のガラス転移温度をもつ。
When R 1 = R 3 = methyl and R 2 = R 4 = ethyl, the sulfamide has a dielectric constant of 44 and -56.
C. and a glass transition temperature of -130.degree.

【0019】R1=R2=R3=メチルであり、R4=メト
キシエチルであるとき、スルファミドは41.7の誘電
定数と−110℃のガラス転移温度をもつ。
When R 1 = R 2 = R 3 = methyl and R 4 = methoxyethyl, the sulfamide has a dielectric constant of 41.7 and a glass transition temperature of -110 ° C.

【0020】R1=R2=R3=エチルであり、R4=メト
キシエチルであるとき、スルファミドは29の誘電定数
と−118℃のガラス転移温度と0〜5V vs.リチ
ウムの安定性窓(stability window)
をもつ。
When R 1 = R 2 = R 3 = ethyl and R 4 = methoxyethyl, the sulfamide has a dielectric constant of 29, a glass transition temperature of -118 ° C. and a 0-5 V vs. Lithium stability window
With.

【0021】本発明は少なくとも1種の上記スルファミ
ド組成物と該組成物に溶解した少なくとも1種の解離性
塩を含む電解質組成物にも関する。スルファミドは補助
溶媒との混合物でもよく、塩はリチウム塩であり得る。
The present invention also relates to an electrolyte composition comprising at least one of the above sulfamide compositions and at least one dissociable salt dissolved in the composition. The sulfamide may be a mixture with a co-solvent and the salt may be a lithium salt.

【0022】好適態様によると、リチウム塩はLiBF
4、LiPF6、Li(RFSO22N、Li(RF
23C(式中、RFはフッ素又は炭素原子数1〜4の
フッ化炭素基である)から構成される群から選択され
る。
According to a preferred embodiment, the lithium salt is LiBF
4 , LiPF 6 , Li (R F SO 2 ) 2 N, Li (R F S
O 2 ) 3 C, wherein R F is fluorine or a fluorocarbon group having 1 to 4 carbon atoms.

【0023】補助溶媒はエチレングリコール、ジエチレ
ングリコール、トリエチレングリコールのジメチルエー
テル類及び/又はエチレンカーボネート、プロピレンカ
ーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネ
ート、γ−ブチロラクトンから構成される群から選択す
ることができる。
The auxiliary solvent can be selected from the group consisting of dimethyl ethers of ethylene glycol, diethylene glycol and triethylene glycol and / or ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone.

【0024】電解質組成物において、スルファミドは少
なくとも70%のエチレンオキシド単位を含むポリエー
テル類、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリ(アクリ
ロニトル)、及び少なくとも70%のフッ化ビニリデン
単位を含むコポリマー等の非プロトン性ポリマーとの混
合物でもよい。
In the electrolyte composition, the sulfamide may be aprotic, such as polyethers containing at least 70% ethylene oxide units, poly (methyl methacrylate), poly (acrylonitrile), and copolymers containing at least 70% vinylidene fluoride units. It may be a mixture with a polymer.

【0025】スルファミドとポリマーの比は好ましくは
20%以下であり、スルファミドは可塑剤として作用す
る。
The ratio of sulfamide to polymer is preferably less than 20%, and the sulfamide acts as a plasticizer.

【0026】溶媒とポリマーの比は50%以上であり、
得られる混合物はゲルを構成する。
The ratio of solvent to polymer is greater than 50%,
The resulting mixture constitutes a gel.

【0027】本発明は更に、電解質が上記電解質組成物
を単独成分又は複合電極の成分として含むリチウム電池
にも関する。この電池において負極は金属リチウム、リ
チウム合金、炭素挿入化合物又は低電圧挿入酸化物もし
くは窒化物を含むものを利用でき、正極は酸化バナジウ
ム、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、リン
酸鉄、ピロリン酸鉄、リン酸鉄マンガン又はピロリン酸
鉄マンガンから誘導される高電圧挿入電極を含むものを
利用できる。正極は高表面積炭素等の導電性添加剤と混
合したポリジスルフィド又は硫黄を含むものでもよい。
[0027] The present invention further relates to a lithium battery wherein the electrolyte comprises the above electrolyte composition as a sole component or as a component of a composite electrode. In this battery, the negative electrode can be one containing lithium metal, a lithium alloy, a carbon insertion compound or a low voltage insertion oxide or nitride, and the positive electrode can be vanadium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, nickel oxide, iron phosphate, pyrophosphate Those containing a high voltage insertion electrode derived from iron, iron manganese phosphate or iron manganese pyrophosphate can be used. The positive electrode may include polydisulfide or sulfur mixed with a conductive additive such as high surface area carbon.

【0028】本発明は更に、電解質が上記組成物を含
み、電極が高表面積炭素を含み得る超容量型デバイスに
も関する。
[0028] The present invention further relates to a supercapacitive device wherein the electrolyte comprises the above composition and the electrode may comprise high surface area carbon.

【0029】本発明は更に、電解質が上記組成物を含
み、電極の1個が三酸化タングステンの薄膜であり得る
電気化学デバイスにも関する。
The present invention further relates to an electrochemical device wherein the electrolyte comprises the composition described above and one of the electrodes can be a thin film of tungsten trioxide.

【0030】本発明は更に、上記スルファミドを単独又
は有機溶媒との混合物として含む媒体用溶媒組成物にも
関する。このような組成物は芳香族炭化水素、ハロカー
ボン類等の補助溶媒を含んでいてもよく、カルバニオン
製造、フリーデル−クラフツ反応、ディールス−アルダ
ー又はミカエリス反応、カチオン又はアニオン重合等の
有機反応用媒体として使用することができる。
The present invention further relates to a solvent composition for a medium containing the above sulfamide alone or as a mixture with an organic solvent. Such compositions may contain co-solvents such as aromatic hydrocarbons, halocarbons, etc. for organic reactions such as carbanion production, Friedel-Crafts reaction, Diels-Alder or Michaelis reaction, cationic or anionic polymerization. Can be used as a medium.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】当業者には以下の点が公知であ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following points are known to those skilled in the art.

【0032】−アルキル基が短いと、通常は配座自由度
の低い分子となり、その結果、融点、粘度又はガラス形
成組成物ではガラス転移温度Tgが上昇する。例えば周
知例を挙げると、プロピレンカーボネートは−40℃未
満でガラスに転移し、エチレンカーボネートは融点Tmp
=39℃、ジメチルカーボネートはTmp=4℃、ジエチ
ルカーボネートはTmp=−43℃、アセトニトリルはT
mp=−48℃、プロピオニトリルはTmp=−93℃であ
る。また、テトラメチルスルファミド(略称TMS)の
融点は73℃である。
Short alkyl groups usually result in molecules having a low degree of conformational freedom, which results in an increase in the melting point, viscosity or glass transition temperature T g of the glass-forming composition. For example, to give a well-known example, propylene carbonate transforms to glass below −40 ° C., and ethylene carbonate has a melting point T mp
= 39 ° C., T mp = 4 ° C. for dimethyl carbonate, T mp = −43 ° C. for diethyl carbonate, T mp for acetonitrile
mp = -48 ° C, propionitrile Tmp = -93 ° C. The melting point of tetramethylsulfamide (abbreviated as TMS) is 73 ° C.

【0033】−短いアルキル基、特にメチルは電子放出
性が低く、これらのアルキル鎖から構築される対応する
分子のGutmannの定義[V.Gutmann,E
lectrochimica Acta 21,661
−670,(1976)]によるドナー数(DN)は低
い(即ちアセトニトリルDN=14.1、ブチロニトリ
ルDN=16.6)。他方、アクセプター数(AN)は
通常は鎖長の影響をさほど受けない(エタノールAN=
37、n−ブタノールAN=36.8)。
Short alkyl groups, in particular methyl, have low electron emission properties and the Gutmann definition of the corresponding molecule built from these alkyl chains [V. Gutmann, E
electrochimica Acta 21,661
-670, (1976)] is low (ie acetonitrile DN = 14.1, butyronitrile DN = 16.6). On the other hand, the number of acceptors (AN) is usually not significantly affected by the chain length (ethanol AN =
37, n-butanol AN = 36.8).

【0034】−エーテル基の酸化安定性は3.8V v
s.リチウム参照電極を越えない。
The oxidation stability of the ether group is 3.8 V v
s. Do not cross the lithium reference electrode.

【0035】−双極子は電荷が高く及び/又は分子の外
側部分に近接しており、反応体に暴露され易いので、誘
電定数が増加すると、通常は反応性も増加する。
An increase in the dielectric constant usually leads to an increase in the reactivity, since the dipoles are highly charged and / or close to the outer part of the molecule and are easily exposed to the reactants.

【0036】エチル基が順次メチル基に置換してTES
からTMSに移行するにつれ、性質は漸次変化すると予
想できる。驚くべきことに、これらの化合物及びメトキ
シエチル置換基にエーテル結合を含む化合物では優れた
挙動が観察された。このような性質は当業者に予測又は
予想されなかったものであり、従って、本発明の新規性
を明白に裏付ける。
When the ethyl group is successively replaced with a methyl group, TES
The properties can be expected to change progressively as one moves from to TMS. Surprisingly, excellent behavior was observed with these compounds and compounds containing an ether linkage at the methoxyethyl substituent. Such a property was not expected or expected by those skilled in the art, and thus clearly supports the novelty of the present invention.

【0037】化学的及び電気化学的用途に用いる溶媒と
して有用な主要な性質は、単独又は特に極性ポリマーと
の混合物としての液体温度範囲、誘電定数(e)、ドナ
ー数(DN)、アクセプター数(AN)、ガラス転移温
度(Tg)である。電気化学的用途では、前者3つのパ
ラメーターの特性値により比導電率を増加できる。電池
用途では、金属リチウム及び溶媒酸化が生じる閾値電位
に対する電気化学的安定性の窓も非常に重要な性質であ
り、できるだけ広くする必要がある。
The key properties useful as solvents for chemical and electrochemical applications include the liquid temperature range, alone or as a mixture with polar polymers, the dielectric constant (e), the number of donors (DN), the number of acceptors ( AN) and the glass transition temperature (T g ). In electrochemical applications, the specific conductivity can be increased by the characteristic values of the former three parameters. In battery applications, the window of electrochemical stability to the threshold potential at which lithium metal and solvent oxidation occur is also a very important property and needs to be as wide as possible.

【0038】液体リチウム電池に良好な溶媒は低粘度、
高沸点、低融点をもち、多量の塩を溶解できなければな
らない(高DN及びAN)。リチウム固体ポリマー電池
では、溶媒を可塑剤として使用することができる(一般
には50容量%未満の少量の溶媒をポリマーに加え
る)。この特定用途では、ポリマーマトリックスのTg
とその結晶性を低下させるものが良好な可塑剤である。
ゲル電解質(50%以上の多量の溶媒を相溶性ポリマー
マトリックスに固定化)では、イオン輸送メカニズム
(比導電率)が両方の媒体(溶媒とポリマー)に依存し
得るので、上記全性質が重要である。
A good solvent for liquid lithium batteries is low viscosity,
It must have a high boiling point, a low melting point and be able to dissolve large amounts of salts (high DN and AN). In lithium solid polymer batteries, a solvent can be used as a plasticizer (typically less than 50% by volume of a small amount of solvent is added to the polymer). In this particular application, the T g of the polymer matrix
And those that reduce their crystallinity are good plasticizers.
In a gel electrolyte (a large amount of solvent of 50% or more immobilized on a compatible polymer matrix), the above properties are important because the ion transport mechanism (specific conductivity) can depend on both media (solvent and polymer). is there.

【0039】以下、非限定的な実施例により本発明を更
に説明する。
The invention will now be further described by way of non-limiting examples.

【0040】実施例 実施例1 下表(Me=メチル、Et=エチル、sは導電率(mS
/cm)であり、eは誘電定数であり、DN及びANは
夫々Gutmannの定義によるはドナー数及びアクセ
プター数であり、n.m.は測定不能、n.miscは
非混和性の意である)は新規スルファミドの性質のいく
つかを要約し、これらの化合物の優れた挙動を立証す
る。
[0040] EXAMPLES Example 1 below (Me = methyl, Et = ethyl, s is conductivity (mS
/ Cm), e is the dielectric constant, DN and AN are the number of donors and acceptors according to Gutmann's definition, respectively, and n. m. Is not measurable, n. misc is immiscible) summarizes some of the properties of the novel sulfamides and demonstrates the excellent behavior of these compounds.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】実施例2 本実施例では、溶媒NES−I−4(誘電定数最高)中
に0.33mol/kgのLiTFSIを含む溶液の導
電率を同一塩濃度のTES−LiTFSI(TESA)
系の導電率と比較する。BeckmanモデルRC−1
5商用ブリッジに似た社内構築ブリッジを用いて種々の
温度(−20℃〜55℃)で導電率データを測定する。
白金めっき白金Orion(米国、ボストン)セルを使
用し、1及び3kHzで抵抗測定を行い、0kHzに外
挿する。
Example 2 In this example, the conductivity of a solution containing 0.33 mol / kg of LiTFSI in a solvent NES-I-4 (highest dielectric constant) was determined by changing the conductivity of TES-LiTFSI (TESA) having the same salt concentration.
Compare with the conductivity of the system. Beckman model RC-1
5 Conductivity data is measured at various temperatures (−20 ° C. to 55 ° C.) using an in-house built bridge similar to a commercial bridge.
The resistance is measured at 1 and 3 kHz using a platinum-plated platinum Orion (Boston, USA) cell and extrapolated to 0 kHz.

【0043】図1から明らかなように、TESの3個の
エチル基を3個のメチル基で置換すると(NES−I−
4)、導電率は全温度で3倍以上に増加する。
As apparent from FIG. 1, when three ethyl groups of TES are substituted with three methyl groups, (NES-I-
4) The conductivity increases more than three times at all temperatures.

【0044】実施例3 本実施例では、PEO−LiTFSI混合物の導電率を
実証する。次のように試料を作製する。1)PEO(M
w=4×106)及びLiTFSIをアセトニトリルに
溶かす。2)得られた溶液を不活性支持体に塗布した
後、部分減圧(40mmHg)下で周囲温度で2〜3時
間乾燥する。3)電解質フィルムを140℃で48時間
減圧乾燥する。可塑剤又は希釈剤としてNES−I−6
又はTESを加えた試料を同様に作製する。アセトニト
リル中のPEO−LiTFSIの混合物にNES−I−
6又はTESを加え、最終乾燥段階を2mmHgで周囲
温度で48時間実施する以外は上記と同一手順に従う。
最終固体電解質フィルム中のNES−I−6又はTES
濃度を1H NMRにより確認する。
Example 3 This example demonstrates the conductivity of a PEO-LiTFSI mixture. A sample is prepared as follows. 1) PEO (M
w = 4 × 10 6 ) and LiTFSI are dissolved in acetonitrile. 2) After applying the resulting solution to an inert support, dry at ambient temperature under partial vacuum (40 mmHg) for 2-3 hours. 3) The electrolyte film is dried under reduced pressure at 140 ° C. for 48 hours. NES-I-6 as plasticizer or diluent
Alternatively, a sample to which TES is added is similarly prepared. NES-I- was added to a mixture of PEO-LiTFSI in acetonitrile.
6 or TES is added and the same procedure is followed except that the final drying step is performed at 2 mm Hg at ambient temperature for 48 hours.
NES-I-6 or TES in final solid electrolyte film
The concentration is confirmed by 1 H NMR.

【0045】次に、SPEフィルムを2個のステンレス
鋼電極間に配置する。電気接触を可能にする気密セルホ
ルダーに導電率セルを導入する。コンピューター駆動コ
ントローラーに接続したInstron(カナダ、オン
タリオ州、バーリントン)恒温室で導電率測定を実施す
る。モード4192A Hewlett−Packar
dインピーダンスアナライザーを使用して周波数範囲5
Hz〜13MHzで10℃間隔でインピーダンスデータ
を集めた。
Next, an SPE film is placed between the two stainless steel electrodes. The conductivity cell is introduced into an airtight cell holder that allows electrical contact. Conductivity measurements are performed in an Instron (Burlington, Ontario, Canada) thermostat connected to a computer-driven controller. Mode 4192A Hewlett-Packar
Frequency range 5 using d impedance analyzer
Impedance data was collected at 10 ° C. intervals between Hz and 13 MHz.

【0046】PEO−LiTFSI−(NES−I−
6)混合物の導電率はPEO−LiTFSI−TESの
約2倍であり、PEO−LiTFSI系よりも一桁高い
(0℃)。
PEO-LiTFSI- (NES-I-
6) The conductivity of the mixture is about twice that of PEO-LiTFSI-TES and is one order of magnitude higher (0 ° C.) than PEO-LiTFSI system.

【0047】実施例4 本実施例では、LiTFSIを同一濃度(0.37M)
で溶解したNES−II−17とTESの電気化学的安
定性を比較する。この試験には慣用3電極セルを使用
し、作用電極はKel−Fに埋封したガラス炭素棒であ
る。電圧走査(走査速度=20mV/秒)の関数として
の電流応答を記録し、結果を図3に示す。NES−II
−7で実質的溶媒酸化が生じるのは、TESよりも約7
00mV高い5V付近である。従って、NES−II−
7は高電圧エネルギーリチウム電池の良好な候補であ
る。
Example 4 In this example, LiTFSI was used at the same concentration (0.37 M).
Compare the electrochemical stability of NES-II-17 and TES dissolved in the above. A conventional three-electrode cell was used for this test, and the working electrode was a glass carbon rod embedded in Kel-F. The current response as a function of voltage scan (scan speed = 20 mV / sec) was recorded and the results are shown in FIG. NES-II
At −7, substantial solvent oxidation occurs about 7 times more than TES.
It is around 5 V, which is higher by 00 mV. Therefore, NES-II-
7 is a good candidate for a high voltage energy lithium battery.

【0048】実施例5 本実施例では、リチウムポリマー電池の電力及びサイク
ル性に及ぼす種々のスルファミドの効果を比較する。ニ
ッケルの薄シートに担持したリチウムアノード(厚さ3
5mm)と約40%TiS2、10%アセチレンブラッ
ク及び50%エチレンオキシドコポリマーの容量組成を
もつ複合カソードから3個のセルを作製する。前記コポ
リマーはEPO第0,013,199号、米国特許第
4,578,326号及び米国特許第4,758,48
3号に記載されているようにエチレンオキシド約80%
を含み、これに30/1の比でリチウム塩LiTFSI
を加える。約3C/cm2の有効容量のカソードを薄型
ニッケルコレクターに載置する。ポリマー電解質のセパ
レーターは厚さ15mmとし、エチレンオキシドベース
ポリマーから構成する。80℃で熱圧することにより、
有効表面3.89cm2の電池を組み立てる。セル中の
LiTFSIの量に対して導入する分子スルファミド比
が1:1となるように、熱圧段階の直前にセパレーター
とカソードにスルファミドを加える。
Example 5 This example compares the effect of various sulfamides on the power and cyclability of a lithium polymer battery. Lithium anode supported on a thin sheet of nickel (thickness 3
Three cells are made from a composite cathode having a volume composition of 5 mm) and about 40% TiS 2 , 10% acetylene black and 50% ethylene oxide copolymer. The copolymers are described in EPO 0,013,199, U.S. Pat. No. 4,578,326 and U.S. Pat. No. 4,758,48.
About 80% of ethylene oxide as described in No. 3
Containing a lithium salt LiTFSI at a ratio of 30/1
Add. A cathode with an effective capacity of about 3 C / cm 2 is mounted on a thin nickel collector. The polymer electrolyte separator is 15 mm thick and is composed of an ethylene oxide based polymer. By hot pressing at 80 ° C,
Assemble the battery with an effective surface of 3.89 cm 2 . Sulfamide is added to the separator and cathode just before the hot pressure step, so that the ratio of molecular sulfamide introduced to the amount of LiTFSI in the cell is 1: 1.

【0049】25℃で定電流(充電と放電)で速度約C
/40で電池をサイクルさせ、7〜15サイクル間でこ
れらのセルの放電電力性能を得る。図4から明らかなよ
うに、NES−I−3及びNES−II−65を加えた
セルは速度C/x(x=20〜4)でTESよりも高い
容量を維持する。全セルでC/40のサイクル性は非常
に良好で同等である。
At a constant current (charge and discharge) at 25 ° C., a speed of about C
The battery is cycled at / 40 and the discharge power performance of these cells is obtained between 7 and 15 cycles. As is clear from FIG. 4, the cells to which NES-I-3 and NES-II-65 are added maintain a higher capacity than TES at the rate C / x (x = 20 to 4). The cyclability of C / 40 in all cells is very good and comparable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】TESに比較したNES−I−4の導電率の増
加を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the increase in conductivity of NES-I-4 compared to TES.

【図2】いずれも35重量%のLiTFSIを含有する
PEO−LiTFSI混合物、PEO−LiTFSI−
NES−I−6(9重量%)混合物及びPEO−LiT
FSI−TES(8重量%)混合物の導電率を示す。
FIG. 2: PEO-LiTFSI mixture containing 35% by weight of LiTFSI, PEO-LiTFSI-
NES-I-6 (9% by weight) mixture and PEO-LiT
2 shows the conductivity of an FSI-TES (8% by weight) mixture.

【図3】NES−II−7とTESの電気化学的安定性
を比較したグラフである。
FIG. 3 is a graph comparing the electrochemical stability of NES-II-7 and TES.

【図4】NES−I−3及びNES−II−65を加え
たセルとTESを加えたセルのサイクリング下の容量を
比較したグラフである。
FIG. 4 is a graph comparing the cycling capacities of cells with NES-I-3 and NES-II-65 and cells with TES.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 6/18 H01M 10/40 A 10/40 B H01G 9/00 301D (72)発明者 デニス・グラヴェル カナダ国ジ4エス 1エル3 ケベック, サン−ランベル,デ・ピレネ 207 (72)発明者 ミシュル・アルマン カナダ国アッシュ3テ 1エヌ2 ケベッ ク,モントリオール,リュー・ファンダル 2965 (72)発明者 ナズレディーネ・スローギ カナダ国アッシュ2ベ 1ゼッド7 ケベ ック,モントリオール,パピノー 9780, アパルトマン 34 (72)発明者 イヴ・ショケット カナダ国ジ3エ 1ペ4 ケベック,サン −ジュリエ,リュー・アルベール−ロゼオ ー 940 (72)発明者 ジェラルド・ペーロン カナダ国ジ4ベ 6ジェ1 ケベック,ブ ーシェヴィル,デ・メルル 340 (72)発明者 ダニー・ブルイュット カナダ国アッシュ3カ 1エール7 ケベ ック,モントリオール,リデ 2655 (72)発明者 ジェジエ・ブリザール カナダ国ジ1アッシュ 2エス2 ケベッ ク,シェルブローク,サン−アンドレ 1430 (72)発明者 ミシェル・パラン カナダ国ジェ0エム 1ジ0 ケベック, ボース,リニエール,ユイティエーム・ア ヴニュー 1341,コリ・ポスタル 333 (72)発明者 ジャーク・プリュドーム カナダ国アッシュ7ヴェ 3ペ1 ケベッ ク,ラヴァル,サンカントヌヴィエーム・ アヴニュー 204 (72)発明者 クリスティヤン・ラブレシュ カナダ国ジ0カ 3アッシュ0 ケベッ ク,サン−ロシュ・ドゥ・ラキガン,リュ イソー−デ−アンジュ・シュド 503──────────────────────────────────────────────────の Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01M 6/18 H01M 10/40 A 10/40 B H01G 9/00 301D (72) Inventor Dennis Gravel J4S1 in Canada 1 El 3 Quebec, Saint-Lambert, des Pyrenees 207 (72) Inventor, Michelle Alman, Ash 3te, Canada 1N2 Quebec, Montreal, Liu Fundar 2965 (72) Inventor, Nazredine Slogi Ash, 2 Canada 1 Zed 7 Quebec, Montreal, Papineau 9780, Appartement 34 (72) Inventor Eve Choquett Canadian Gi3 1 1 4 Quebec, Saint-Julier, Liu Albert-Roséau 940 (72) Inventor Gerard Pelon Canada 4b 6j1 Quebec, Boucherville, de Merle 340 (72) Inventor Danny Bruwit Ash, 3 Canada 1 ale 7 Quebec, Montreal, Ride 2655 (72) Inventor Jezier Blizzard, Canada 1 Ash 2S2 Quebec, Sherbrooke, Saint-André 1430 (72) Inventor Michel Palan J0M 1 Canadian Canadian Jémé 0, Bose, Linier, Utième Avenue 1341, Koli Postal 333 (72) Inventor Jerk Prudhem Ashve, Canada 3p1 Kebek, Laval, Saint-Canto-Nevième-Avenue 204 (72) Inventor Christian Labrès Canada 0, 3 Ash0, Quebec, Saint-Roche de Dou Lakigan, Luisau de Ange Sud 503

Claims (27)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一般式:R12NSO2NR34(式
中、1〜3個のR置換基はメチル基であり、残りはエチ
ル基であるか、又は1個のRがメトキシエチル基であ
り、残りのRがメチルもしくはエチル基である)をもつ
電解質組成物又は非プロトン性溶媒用スルファミド又は
混合物。
1. A compound of the general formula: R 1 R 2 NSO 2 NR 3 R 4 wherein 1 to 3 R substituents are methyl groups and the rest are ethyl groups, or one R is A methoxyethyl group and the remaining R is a methyl or ethyl group) or a sulfamide or mixture for an aprotic solvent.
【請求項2】 R1=R2=R3=メチルであり、R4=エ
チルであり、57の誘電定数と−33℃の融点をもつこ
とを特徴とする請求項1に記載のスルファミド。
2. The sulfamide of claim 1, wherein R 1 = R 2 = R 3 = methyl, R 4 = ethyl, and has a dielectric constant of 57 and a melting point of −33 ° C.
【請求項3】 R1=R2=メチルであり、R3=R4=エ
チルであり、40.5の誘電定数と−24℃の融点と−
122℃のガラス転移温度をもつことを特徴とする請求
項1に記載のスルファミド。
3. R 1 = R 2 = methyl, R 3 = R 4 = ethyl, a dielectric constant of 40.5 and a melting point of −24 ° C.
Sulfamide according to claim 1, having a glass transition temperature of 122 ° C.
【請求項4】 R1=R3=メチルであり、R2=R4=エ
チルであり、44の誘電定数と−56℃の融点と−13
0℃のガラス転移温度をもつことを特徴とする請求項1
に記載のスルファミド。
4. R 1 = R 3 = methyl, R 2 = R 4 = ethyl, dielectric constant of 44, melting point of −56 ° C. and −13.
2. A glass transition temperature of 0 ° C.
The sulfamide according to the above.
【請求項5】 R1=R2=R3=メチルであり、R4=メ
トキシエチルであり、41.7の誘電定数と−110℃
のガラス転移温度をもつことを特徴とする請求項1に記
載のスルファミド。
5. R 1 = R 2 = R 3 = methyl, R 4 = methoxyethyl, a dielectric constant of 41.7 and -110 ° C.
The sulfamide according to claim 1, having a glass transition temperature of:
【請求項6】 R1=R2=R3=エチルであり、R4=メ
トキシエチルであり、29の誘電定数と−118℃のガ
ラス転移温度と0〜5V vs.リチウムの安定性窓
(stability window)をもつことを特
徴とする請求項1に記載のスルファミド。
6. R 1 = R 2 = R 3 = ethyl, R 4 = methoxyethyl, a dielectric constant of 29, a glass transition temperature of −118 ° C., and 0 to 5 V vs. The sulfamide of claim 1 having a lithium stability window.
【請求項7】 請求項1に記載の少なくとも1種のスル
ファミド組成物と該組成物に溶解した少なくとも1種の
解離性塩を含む電解質組成物。
7. An electrolyte composition comprising at least one sulfamide composition according to claim 1 and at least one dissociable salt dissolved in the composition.
【請求項8】 前記スルファミドが補助溶媒との混合物
である請求項7に記載の電解質組成物。
8. The electrolyte composition according to claim 7, wherein the sulfamide is a mixture with an auxiliary solvent.
【請求項9】 塩がリチウム塩である請求項7に記載の
電解質組成物。
9. The electrolyte composition according to claim 7, wherein the salt is a lithium salt.
【請求項10】 リチウム塩がLiBF4、LiPF6
Li(RFSO22N、Li(RFSO23C(式中、R
Fはフッ素又は炭素原子数1〜4のフッ化炭素基であ
る)から構成される群から選択される請求項8に記載の
電解質組成物。
10. The method according to claim 10, wherein the lithium salt is LiBF 4 , LiPF 6 ,
Li (R F SO 2 ) 2 N, Li (R F SO 2 ) 3 C (where R
The electrolyte composition according to claim 8, wherein F is selected from the group consisting of fluorine and a fluorocarbon group having 1 to 4 carbon atoms.
【請求項11】 補助溶媒がエチレングリコール、ジエ
チレングリコール、トリエチレングリコールのジメチル
エーテル類及び/又はエチレンカーボネート、プロピレ
ンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカー
ボネート、γ−ブチロラクトンから構成される群から選
択される請求項8に記載の電解質組成物。
11. The method according to claim 8, wherein the auxiliary solvent is selected from the group consisting of dimethyl ethers of ethylene glycol, diethylene glycol and triethylene glycol and / or ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and γ-butyrolactone. The electrolyte composition according to any of the preceding claims.
【請求項12】 前記スルファミドが非プロトン性ポリ
マーとの混合物である請求項7に記載の電解質組成物。
12. The electrolyte composition according to claim 7, wherein the sulfamide is a mixture with an aprotic polymer.
【請求項13】 非プロトン性ポリマーが少なくとも7
0%のエチレンオキシド単位を含むポリエーテル類、ポ
リ(メチルメタクリレート)、ポリ(アクリロニト
ル)、及び少なくとも70%のフッ化ビニリデン単位を
含むコポリマーから構成される群から選択される請求項
12に記載の電解質組成物。
13. An aprotic polymer having at least 7
13. The electrolyte of claim 12, wherein the electrolyte is selected from the group consisting of polyethers containing 0% ethylene oxide units, poly (methyl methacrylate), poly (acrylonitrile), and copolymers containing at least 70% vinylidene fluoride units. Composition.
【請求項14】 スルファミドとポリマーの比が20%
以下であり、スルファミドが可塑剤として作用する請求
項11又は13に記載の電解質組成物。
14. The ratio of sulfamide to polymer is 20%
14. The electrolyte composition according to claim 11, wherein sulfamide acts as a plasticizer.
【請求項15】 溶媒とポリマーの比が50%以上であ
り、得られる混合物がゲルを構成する請求項11又は1
3に記載の電解質組成物。
15. The method according to claim 11, wherein the ratio of the solvent to the polymer is 50% or more, and the resulting mixture forms a gel.
4. The electrolyte composition according to 3.
【請求項16】 溶媒とポリマーの比が50%未満であ
り、得られる混合物が高度に可塑化したポリマーベース
系である請求項11又は13に記載の電解質組成物。
16. The electrolyte composition according to claim 11, wherein the solvent to polymer ratio is less than 50% and the resulting mixture is a highly plasticized polymer-based system.
【請求項17】 電解質が請求項7から16のいずれか
一項に記載の電解質組成物を単独成分又は複合電極の成
分として含むリチウム電池。
17. A lithium battery, wherein the electrolyte comprises the electrolyte composition according to claim 7 as a single component or as a component of a composite electrode.
【請求項18】 負極が金属リチウム、リチウム合金、
炭素挿入化合物又は低電圧挿入酸化物もしくは窒化物を
含む請求項17に記載のリチウム電池。
18. The negative electrode may be lithium metal, a lithium alloy,
18. The lithium battery according to claim 17, comprising a carbon insertion compound or a low voltage insertion oxide or nitride.
【請求項19】 正極が酸化バナジウム、酸化マンガ
ン、酸化コバルト、酸化ニッケル、リン酸鉄、ピロリン
酸鉄、リン酸鉄マンガン又はピロリン酸鉄マンガンから
誘導される高電圧挿入電極を含む請求項17又は18に
記載のリチウム電池。
19. The positive electrode comprises a high voltage insertion electrode derived from vanadium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, nickel oxide, iron phosphate, iron pyrophosphate, iron manganese phosphate or iron manganese pyrophosphate. 19. The lithium battery according to 18.
【請求項20】 正極が高表面積炭素等の導電性添加剤
と混合したポリジスルフィド又は硫黄を含む請求項17
又は18に記載のリチウム電池。
20. The cathode of claim 17, comprising polydisulfide or sulfur mixed with a conductive additive such as high surface area carbon.
Or a lithium battery according to 18.
【請求項21】 電解質が請求項7から16のいずれか
一項に記載の組成物を含む超容量型デバイス。
21. A supercapacitive device wherein the electrolyte comprises the composition according to any one of claims 7 to 16.
【請求項22】 電極が高表面積炭素を含む請求項21
に記載の超容量型デバイス。
22. An electrode comprising high surface area carbon.
2. The supercapacitive device according to 1.
【請求項23】 電解質が請求項7から16のいずれか
一項に記載の組成物を含む電気化学デバイス。
23. An electrochemical device wherein the electrolyte comprises the composition according to any one of claims 7 to 16.
【請求項24】 電極が三酸化タングステンの薄膜であ
る請求項23に記載の電気化学デバイス。
24. The electrochemical device according to claim 23, wherein the electrode is a thin film of tungsten trioxide.
【請求項25】 請求項1から5のいずれか一項に記載
のスルファミドを単独又は有機溶媒との混合物として含
む媒体用溶媒組成物。
25. A solvent composition for a medium, comprising the sulfamide according to claim 1 alone or as a mixture with an organic solvent.
【請求項26】 補助溶媒が芳香族炭化水素又はハロカ
ーボン類である請求項25に記載の溶媒組成物。
26. The solvent composition according to claim 25, wherein the auxiliary solvent is an aromatic hydrocarbon or a halocarbon.
【請求項27】 カルバニオン製造、フリーデル−クラ
フツ反応、ディールス−アルダー又はミカエリス反応、
カチオン又はアニオン重合を含む有機反応用媒体として
用いる請求項25又は26に記載の溶媒組成物。
27. Carbanion production, Friedel-Crafts reaction, Diels-Alder or Michaelis reaction,
The solvent composition according to claim 25 or 26, which is used as a medium for an organic reaction containing cationic or anionic polymerization.
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